Segundo avance blog. Enzimas,Coenzimas y vitaminas-Carbohidratos.

Propiedades las enzimas

Se ha tenido la ocasión de comprobar de qué manera las formas tridimensionales de las proteínas les permiten desempeñar papeles estructurales y de transporte. Ahora se describirán sus funciones como enzimas. Las enzimas son catalizadores biológicos selectivos de una eficiencia extraordinaria. Toda célula viva dispone de cientos de enzimas distintas que catalizan las reacciones esenciales para la vida. Aun los organismos vivos más simples contienen múltiples copias de cientos de enzimas diferentes. En los organismos multicelulares, el complemento de las enzimas varía de un tipo celular a otro. Estas enzimas catalizan las reacciones de las rutas metabólicas centrales, necesarias para mantener la vida. La mayor parte de las reacciones catalizadas por enzimas no procederían a velocidades apreciables bajo condiciones fisiológicas en ausencia de las enzimas. El papel principal de las enzimas es aumentar las velocidades de tales reacciones. En forma típica, las reacciones catalizadas por las enzimas son de 103 a 1020 veces más rápidas que las mismas sin catalizar. Un catalizador es una sustancia que acelera la llegada a un equilibrio. Un catalizador puede cambiar en forma temporal durante la reacción, pero no cambia en el proceso general, porque se recicla para participar en varias reacciones. Los reactivos se unen a un catalizador y los productos se disocian de él. Un catalizador no cambia la posición del equilibrio de la reacción (es decir, no hace que una reacción no favorable sea favorable).

Más bien reduce la cantidad de energía necesaria para que se efectúe la reacción. Los catalizadores aceleran las reacciones tanto hacia adelante como hacia atrás al convertir un proceso de uno o dos pasos en varios pasos menores, cada uno con menor necesidad de energía que la reacción no catalizada.

 

Las seis clases de enzimas:

1.   Las oxidorreductasas catalizan las reacciones de oxidación-reducción. La mayor parte de esas enzimas se llaman, en general, deshidrogenasas. También hay otras enzimas en esta clase que se llaman oxidasas, peroxidasas, oxigenasas o reductasas. En bioquímica hay cada vez más la tendencia a citar esas enzimas por su nombre formal, oxidorreductasas, y no por los nombres más comunes en las publicaciones no muy recientes de bioquímica. Un ejemplo de una Oxidorreductasa es la lactato deshidrogenasa (EC 1.1.1.27), llamada también lactato: NADoxidorreductasa. Esta enzima cataliza la conversión reversible de L-lactato en piruvato.
2.    Las transferasas catalizan las reacciones de transferencia de un grupo y pueden necesitar la presencia de coenzimas. En las reacciones de transferencia de grupo, una parte de la molécula del sustrato se suele enlazar en forma covalente con la enzima o con su coenzima. Este grupo incluye las cinasas, enzimas que catalizan la transferencia de un grupo fosforilo del ATP. La alanina transaminasa, cuyo nombre sistemático es L-alanina:2-oxiglutarato aminotransferasa (EC 2.6.1.2), es un ejemplo típico de esta clase.
3. ·  Las hidrolasas catalizan hidrólisis. Son una clase especial de transferasas donde el agua sirve como aceptor del grupo transferido. La pirofosfatasa es un ejemplo sencillo de una hidrolasa. El nombre sistemático de esta enzima es difosfato fosfohidrolasa (EC 3.6.1.1). Las liasas catalizan la lisis de un sustrato, al generar un enlace doble; son reacciones de eliminación, no hidrolíticas y no oxidantes. En dirección inversa, las liasas catalizan la adición de un sustrato a un doble enlace de un segundo sustrato. Una liasa que cataliza una reacción de adición en las células es frecuentemente llamada sintasa. La piruvato descarboxilasa pertenece a esta clase de enzimas ya que descompone al piruvato en acetaldehído y dióxido de carbono.
4. Las liasas catalizan la lisis de un sustrato, al generar un enlace doble; son reacciones de eliminación, no hidrolíticas y no oxidantes. En dirección inversa, las liasas catalizan la adición de un sustrato a un doble enlace de un segundo sustrato. Una liasa que cataliza una reacción de adición en las células es frecuentemente llamada sintasa. 
5.   Las Isomerasas catalizan cambios estructurales dentro de una misma molécula (reacciones de isomerización). Como estas reacciones sólo tienen un sustrato y un producto son de las reacciones enzimáticas más simples. La alanina racemasa (EC 5.1.1.1) es una isomerasa que cataliza la interconversión de L-alanina y D-alanina.
6.  Las ligasas catalizan la ligadura o unión de dos sustratos. Estas reacciones necesitan un suministro de energía potencial química de un nucleósido trifosfato, como el ATP. Las ligasas son usualmente llamadas sintetasas. La glutamina sintetasa, o L-glutamato:amoniaco ligasa (formadora de ADP) (EC 6.3.12) usa la energía de la hidrólisis del ATP para unir glutamato y amoniaco para producir glutamina.

   Cinética enzimática

   Uno de los primeros y grandes avances en bioquímica, fue el descubrimiento de que las enzimas se unen en forma transitoria a los sustratos, resultado de la investigación de la cinética enzimática. Emil Fischer, en 1894, propuso que una enzima presenta una plantilla rígida, o cerradura, y que el sustrato es la llave que le corresponde. Sólo los sustratos específicos se pueden ajustar a determinada enzima. Los primeros estudios de cinética enzimática confirmaron que una enzima (E) se une a un sustrato para formar un complejo enzima-sustrato (ES). Los complejos ES se forman cuando los ligandos se unen de manera no covalente a sus lugares adecuados en el sitio activo. El sustrato reacciona en forma transitoria con la proteína catalizadora (y con otros sustratos, en una reacción multisustratos) para formar el producto de la reacción. La acción de la enzima, se puede resumir en la siguiente ecuación: E+S>ES>E+P

   Michaelis-Menten

    La cinética de Michaelis-Menten describe la velocidad de reacción de muchas reacciones enzimáticas. Recibe este nombre en honor a Leonor Michaelis y Maude Menten. Este modelo sólo es válido cuando la concentración del sustrato es mayor que la concentración de la enzima, y para condiciones de estado estacionario, es decir, cuando la concentración del complejo enzima-sustrato es constante.

    

   
   
   
   
   
   
   
   

   Medición de Km y Vmax

   Los parámetros cinéticos de una reacción enzimática pueden producir información valiosa acerca de la especificidad y el mecanismo de la reacción. Los parámetros clave son Km y Vmáx ya que kcat se puede calcular si se conoce Vmáx. Los datos de Km y Vmáx para una reacción catalizada por enzima se pueden determinar de diversas maneras. Es posible obtener ambos valores por análisis de las velocidades iniciales en una serie de concentraciones de sustrato y una concentración fija de enzima. Para obtener valores fiables de las constantes cinéticas, los puntos de [S] se deben extender por abajo y por arriba de Km para producir una hipérbola.
    La ecuación de Michaelis-Menten se puede reacomodar para obtener valores de Vmáx y Km a partir de líneas rectas en gráficas. La transformación de uso más frecuente es la gráfica de doble recíproco, o de Lineweaver-Burk, en la que se grafican los valores de 1/y0 contra los de 1/[S] (figura 5.6). El valor absoluto de 1/Km se obtiene con la intersección de la recta con el eje x (es decir, la abscisa al origen), y el valor de 1/Vmáx se obtiene con la ordenada al origen. Aunque las gráficas de doble recíproco no son los métodos más exactos para determinar las constantes cinéticas, se comprenden con facilidad y permiten contar con pautas reconocibles para estudiar la inhibición enzimática, un aspecto de extrema importancia en la enzimología que en breve se examinará. Se pueden obtener valores de kcat con mediciones de Vmáx sólo cuando se conoce la concentración absoluta de la enzima. Se pueden determinar los valores de Km aun con enzimas que no hayan sido purificadas siempre y cuando sea una sola la enzima en la preparación impura la que pueda catalizar la reacción observada.
    
   
   

   Reacciones Multisustrato

    

    

   Las reacciones de multisustrato pueden efectuarse de acuerdo con varios y distintos esquemas cinéticos llamados mecanismos cinéticos porque se deducen en su totalidad mediante experimentos cinéticos. Los mecanismos cinéticos son comúnmente representados con la notación introducida por W. W. Cleland. La adición de moléculas de sustrato (A, B, C, …) a la enzima y la liberación de productos (P, Q, R, …) desde la enzima se indican con flechas que apuntan hacia (unión de sustrato) o desde (liberación de producto) de la recta. Las diversas formas de la enzima (E libre, complejos ES o complejos EP) se escriben abajo de una línea horizontal. Los complejos ES que sufren transformación química cuando el sitio activo está lleno se muestran entre paréntesis. Las reacciones consecutivas (o secuenciales) requieren que todos los sustratos estén presentes para que se libere algún producto. Estas reacciones secuenciales pueden ser ordenadas, con un orden obligatorio de enlazamiento de sustratos y de liberación de productos. También pueden ser aleatorias, sin orden obligatorio de enlazamiento o liberación. En las reacciones ping-pong se libera un producto antes de que se enlacen todos los sustratos. En una reacción ping-pong de bisustrato, se enlaza el primer sustrato, se altera la enzima por sustitución y se libera el primer producto, después de lo cual se une el segundo sustrato, la enzima alterada regresa a su forma original y se libera el segundo producto. Debido al enlazamiento covalente de una porción de un sustrato a la enzima, a veces al mecanismo de ping-pong se le llama mecanismo de enzima sustituida. La unión y liberación de ligandos en un mecanismo de ping-pong se suelen indicar con líneas inclinadas. Las dos formas de la enzima se representan por E (no sustituida) y F (sustituida).

   Inhibición enzimática irreversible:

   
   

   • Los inhibidores competitivos son los que se encuentran con más frecuencia en bioquímica. En la inhibición competitiva, el inhibidor sólo se puede unir a moléculas de enzima libre que no estén unidas a sustrato alguno. En este esquema sólo ES puede llevar a la formación de producto. La formación de un complejo EI quita a la enzima de su ruta normal. Cuando un inhibidor competitivo se une con una molécula de enzima, una molécula de sustrato no puede unirse a esa molécula de enzima. Al revés, la unión de sustrato y una molécula de enzima evita el enlazamiento de un inhibidor. En otras palabras, S e I compiten por unirse a la molécula de enzima.
   •  Los inhibidores acompetitivos sólo se unen al ES y no a la enzima libre. En la inhibición acompetitiva disminuye la Vmáx (aumenta 1/Vmáx) por conversión
     de algunas moléculas de E en la forma inactiva ESI. Ya que es el complejo ES el
     que se enlaza con I y la disminución de Vmáx no se revierte por la adición de más sustrato.
     También, los inhibidores acompetitivos hacen descender la Km (vista como un aumento
     del valor absoluto de 1/Km en una gráfica de doble recíproco) ya que los equilibrios de formación de ES y de ESI son desplazados hacia los complejos, por la unión de I.
   • Los inhibidores no competitivos se pueden unir a la E o al ES y formar complejos inactivos EI o ESI, respectivamente. Esos inhibidores no son análogos del sustrato y no se enlazan en el mismo sitio que el S. El caso clásico de inhibición no competitiva se caracteriza por una disminución aparente de Vmáx (1/Vmáx parece aumentar) sin cambiar de la Km. En una gráfica de doble recíproco, las líneas de la inhibición no competitiva clásica se cruzan en el punto del eje x que corresponde a –1/Km .Esta ordenada al origen común indica que Km no se afecta. El efecto de la inhibición no competitiva está dada por la interacción del I con la E y el ES en forma reversible, eliminando las moléculas de enzima activa en la solución. Esta inhibición no se puede compensar agregando S. Es rara la inhibición no competitiva clásica, pero se conocen ejemplos entre las enzimas alostéricas. En esos casos, es probable que el inhibidor no competitivo altere la conformación de la enzima, cuya forma todavía le permita seguir uniéndose al S pero sin poder catalizar reacción alguna.

   Enzimas alostéricas

   Las enzimas alostéricas son enzimas cuyas propiedades son afectadas por cambios en la estructura. Los cambios estructurales son ocasionados por interacción con moléculas pequeñas. Se planteó un ejemplo de alosterismo en el capítulo anterior al examinar la unión del oxígeno a la hemoglobina. Con frecuencia, las enzimas alostéricas no presentan cinética clásica de Michaelis-Menten debido a su unión cooperativa del sustrato, como el caso de la hemoglobina, que no es enzima.
   Consulta más aquí .

   Mecanismos de las enzimas

   

   Las enzimas requieren de diferentes tipos de condiciones para su óptimo funcionamiento, luego de que la enzimas tienen estas diferentes condiciones, utilizan diferentes tipos de "técnicas" que las ayudan a desarrollar mejor cada una de sus actividad biológicas en acople a cada uno de sus sustratos.

   A.Sustitución Nucleofílica:
   
   Muchas reacciones químicas tienen compuestos intermedios iónicos. Hay dos tipos de intermedios iónicos: unas especies son ricas en electrones o nucleofílicas, y otras especies son pobres en electrones, o electrofílicas . Un nucleófilo tiene una carga negativa o un par de electrones no compartido. Suele imaginarse que el nucleófilo ataca al electrófilo, y al mecanismo se le llama ataque nucleofílico, o sustitución nucleofílica. En la química mecanicista, el movimiento de un par de electrones se representa con una flecha curva que apunta desde los electrones disponibles en el nucleófilo hacia el centro electrofílico. Estos diagramas de “empuje de electrones” representan la ruptura de un enlace covalente existente, o la formación de un nuevo enlace covalente. 
   B.Reacciones de ruptura:
   También se encuentran reacciones de escisión o ruptura. Los enlaces covalentes se pueden romper de dos maneras: dos electrones permanecen con un átomo, o un electrón puede permanecer con cada átomo enlazado. En la mayor parte de las reacciones, ambos electrones están en un átomo, por lo que se forman un intermedio iónico y un grupo saliente. Por ejemplo, la ruptura de un enlace C—H casi siempre produce dos iones.
   C.Reacciones Redox:
   
   
   Las reacciones de oxido-reducción son fundamentales en el suministro de energía biológica. En una reacción de oxido-reducción (o reacción redox), los electrones de una especie se transfieren a otra. Aquí la terminología puede ser bastante confusa, por lo que es importante dominar el significado de las palabras oxidación y reducción, pues aparecerán en forma repetitiva en el resto del libro. Oxidación es la pérdida de electrones: una sustancia que es oxidada tendrá menos electrones cuando se termine la reacción. La reducción es la ganancia de electrones: una sustancia que gana electrones en una reacción es reducida. Las reacciones de oxidación y reducción siempre suceden en forma simultánea. Un sustrato es oxidado y el otro es reducido. Un agente oxidante es una sustancia que produce una oxidación: toma electrones del sustrato que es oxidado. Así, los agentes oxidantes ganan electrones (es decir, se reducen). Un agente reductor es una sustancia que dona o cede electrones (y en el proceso se oxida). Las oxidaciones pueden asumir varias formas, como la eliminación de hidrógeno (deshidrogenación), adición de oxígeno o eliminación de electrones. La deshidrogenación es la forma más común de oxidación biológica. Recuerde que las oxidorreductasas (enzimas que catalizan reacciones de oxido-reducción) representan una clase extensa de enzimas, y las deshidrogenasas (enzimas que catalizan la eliminación de hidrógeno) son una de las subclases principales de las oxidorreductasas. La mayor parte de las deshidrogenaciones suceden por ruptura del enlace C—H, produciendo un ion hidruro.

   Modos químicos de la catálisis enzimática

   
   
   1. Residuos polares de aminoácidos en sitios activos:La cavidad del sitio activo en una enzima en general está cubierta con residuos hidrofóbicos de aminoácidos. Sin embargo, también en el sitio activo hay unos pocos residuos polares, ionizables (con algunas moléculas de agua). Los residuos polares de aminoácidos (o a veces coenzimas) tienen cambios químicos durante la catálisis enzimática. Esos residuos forman gran parte del centro catalítico de la enzima. Algunos de los residuos y las funciones a pH 7 que podemos mencionar, son:
   
   
   Aminoácido-reactivo a pH 7-Funciones principales
   Aspartato —COO_ —1 Unión con cationes; transferencia de protón
   Glutamato —COO_ —1 Unión con cationes; transferencia de protón
   Histidina Imidazol Casi 0 Transferencia de protón
   Cisteína —CH2SH Casi 0 Unión covalente de grupos acilo
   Tirosina Fenol 0 Puente de hidrógeno a ligandos
   Lisina NH3
   _ _1 Unión con aniones; transferencia de protón
   Arginina Guanidinio _1 Unión con aniones
   Serina —CH2OH 0 Unión covalente de grupos acilo.
   2. Catálisis ácido-base:En la catálisis ácido-base, la aceleración de una reacción se debe a la transferencia catalítica de un protón. Esta catálisis ácido-base es la forma más común de catálisis en química orgánica, y también es común en las reacciones enzimáticas. Las enzimas que la hacen se basan en cadenas laterales de aminoácido que pueden donar y aceptar protones en las condiciones de pH neutro de las células. Este tipo de catálisis ácido-base, donde intervienen agentes de transferencia de protones, se llama catálisis ácido-base general. (La catálisis por H u OH se llama catálisis ácida específica, o catálisis básica específica). De hecho, los sitios activos de estas enzimas son el equivalente biológico de una solución de ácido o base. Conviene usar B: para representar a una base o aceptador de protón, y BH para representar su ácido conjugado, un donador de protón. (Este par ácido-base también puede escribirse en la forma HA/A ). Un aceptor de protón puede ayudar a las reacciones en dos formas. Puede romper los enlaces O—H, N—H, incluso algunos C—H, quitando a un protón.
   3. Catálisis covalente: En la catálisis covalente se une un sustrato en forma covalente a la enzima y se forma un compuesto intermedio reactivo. La cadena lateral que reacciona de la enzima puede ser un nucleófilo o un electrófilo. La catálisis nucleofílica es más común. En el segundo paso de la reacción se transfiere una porción del sustrato del compuesto intermedio a un segundo sustrato.
   4.Influencia del pH sobre las velocidades enzimáticas:El efecto del pH sobre la velocidad de reacción de una enzima puede indicar cuáles residuos
   ionizables de aminoácido están en su sitio activo. La sensibilidad al pH suele reflejar
   una alteración en el estado de ionización de uno o más residuos que participan en la
   catálisis, aunque a veces se afecta la unión con el sustrato. Con mayor frecuencia, una gráfica de velocidad de reacción contra pH es una curva con forma de campana, siempre que la enzima no se desnaturalice cuando se altere el pH. Un buen ejemplo es el perfil de pH-velocidad para la papaína, una proteasa aislada del fruto de la papaya . La curva acampanada de pH-velocidad se puede explicar suponiendo que la parte ascendente de la curva representa la desprotonación de un residuo de aminoácido en el sitio activo (B), y la parte descendente representa la desprotonación de un segundo residuo de aminoácido en el sitio activo (A). Los dos puntos de inflexión indican en forma aproximada los valores de pKa de los dos residuos ionizables. Una curva en forma de campana simple es el resultado de dos titulaciones  traslapadas. La cadena lateral de A (RA) debe protonarse para tener actividad, y la cadena lateral de B (RB) se debe desprotonar.
   

   Reacciones controladas por difusión:La unión de un sustrato a una enzima es una reacción rápida. Si el resto de la reacción es sencillo y rápido, el paso de enlazamiento puede ser el paso que determine la velocidad, y la velocidad total de la reacción podrá acercarse al límite superior para la catálisis. Sólo hay pocos tipos de reacciones químicas que pueden avanzar tan rápido. Entre ellas están las reacciones de asociación, algunas transferencias de protones y transferencias de electrones. Las reacciones catalizadas por algunas enzimas son tan sencillas que los pasos que determinan la velocidad son aproximadamente tan rápidos como el enlazamiento de los sustratos con las enzimas. Dos de esas enzimas: triosa fosfato isomerasa y superóxido dismutasa.